基于2021版C-NCAP側(cè)面柱碰的某SUV車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳磊 鄭坤 黃茜

摘要：為使某在研SUV車型側(cè)面柱碰達(dá)到我國2021版新車評價規(guī)程（C-NCAP）的5星要求，文章根據(jù)收集整理的國內(nèi)外側(cè)面柱碰數(shù)據(jù)初步設(shè)定車身側(cè)圍侵入設(shè)計(jì)目標(biāo)值，搭建側(cè)面柱碰仿真計(jì)算模型進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，并根據(jù)基礎(chǔ)狀態(tài)的結(jié)果對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升車身側(cè)面柱碰耐撞性能，使側(cè)圍侵入量基本滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值，通過乘員約束系統(tǒng)仿真計(jì)算獲得假人損傷及得分以驗(yàn)證車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，結(jié)合約束系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果中假人各部位的得分情況對初步設(shè)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)值進(jìn)行修正，從而獲得更加合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)值，可為后續(xù)車型開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：側(cè)面柱碰;C-NCAP;設(shè)計(jì)目標(biāo)值;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;有限元;約束系統(tǒng)

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車保有量快速增長，由此帶來的一大問題就是汽車交通事故也在逐年增加，造成了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。而在汽車交通事故中，側(cè)碰致傷率僅次于正面碰撞[1]，這其中車體與柱狀體側(cè)面撞擊事故約占14%，但死亡率高達(dá)38%[2]。柱狀體側(cè)面撞擊事故死亡率高的原因主要是碰撞體的剛性大且接觸面積小，而車輛的側(cè)圍結(jié)構(gòu)相對較薄弱且吸能空間有限，發(fā)生事故時車身變形大，車身結(jié)構(gòu)及外部物容易侵入到乘員生存空間對乘員造成傷害。因此，美國高速公路協(xié)會（NHTSA）和歐洲新車評價規(guī)程（Euro-NCAP）已經(jīng)新增了側(cè)面柱碰評價工況，我國的2021版新車評價規(guī)程（C-NCAP）也將增加側(cè)面柱碰工況以模擬車輛側(cè)面撞擊電線桿、廣告牌、大樹等柱狀剛性物的事故現(xiàn)象，該工況的引入將會對車身側(cè)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。

1 工況介紹

2021版C-NCAP的側(cè)面柱碰試驗(yàn)方法如下頁圖1所示：在前排駕駛員位置放置1個WS假人，車輛以32 km/h的速度與車輛坐標(biāo)系X軸成75°角撞向直徑254 mm的固定剛性圓柱;圓柱的下端不能高于輪胎最低點(diǎn)102 mm，上端必須超過車頂最高點(diǎn)，圓柱的中心與假人頭部中心的連線與速度方向一致。

2 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)值

目前國內(nèi)的評價體系尚未正式開展側(cè)面柱碰試驗(yàn)，因此，尚無成熟的設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)作為借鑒，但是從產(chǎn)品長期規(guī)劃出發(fā)，現(xiàn)階段開發(fā)車型應(yīng)該考慮2021版C-NCAP的評價規(guī)程。在設(shè)計(jì)之初，為了明確設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，本文收集了4款與本研究車型相近車型的NHTSA側(cè)面柱碰試驗(yàn)結(jié)果[3-6]以及國內(nèi)某相近車型的試驗(yàn)假人得分和車身結(jié)構(gòu)耐撞試驗(yàn)仿真對標(biāo)數(shù)據(jù)作為參考，以此為基礎(chǔ)初步確定本研究的仿真目標(biāo)值。NHTSA柱碰試驗(yàn)的測量位置為5條與地面平行的水平線，由低到高分別是：Sill Top、Mid Door、Occupant Hip Point、Window Sill、Window Top，具體如圖2所示。

分別測量車門外鈑金面在上述5條水平線上的Y向最大侵入量。由于NHTSA的試驗(yàn)中所使用的假人以及評分規(guī)則與國內(nèi)不一致，為此，本文又研究了國內(nèi)某主機(jī)廠自主開展的側(cè)面柱碰試驗(yàn)所獲得的假人得分以及仿真對標(biāo)侵入值，該車型柱碰總得分為15.38（滿分16分），得分率為96.1%，超過85%，參考2018版C-NCAP星級評價滿足5星規(guī)劃目標(biāo)要求。本研究參考NHTSA以側(cè)圍外鈑金件的Y向侵入量作為量化指標(biāo)，根據(jù)該國內(nèi)車型仿真對標(biāo)結(jié)果以及NHTSA試驗(yàn)車型數(shù)據(jù)，通過橫向?qū)Ρ雀骺钴囃粶y量點(diǎn)侵入值，初步擬定以其中的最小值作為本研究車型各測量位置仿真計(jì)算側(cè)圍侵入量設(shè)計(jì)目標(biāo)值（如表1所示）。

3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 搭建計(jì)算模型

參照試驗(yàn)規(guī)范搭建仿真計(jì)算模型主要包括：立柱位置、車輛的初始速度及方向、車輛配重，建立接觸對等操作[7-9]，得到如圖3所示的仿真模型。

3.2 計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化方案

計(jì)算得到基礎(chǔ)狀態(tài)下的侵入值如表2所示。

基礎(chǔ)狀態(tài)下，側(cè)圍的侵入量遠(yuǎn)超目標(biāo)值，碰撞性能差，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)柱碰的傳力特點(diǎn)，主要承載結(jié)構(gòu)為門檻梁、車門防撞梁、座椅橫梁、中通道、B柱、中通道支架以及上邊梁（如圖4所示）。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)狀態(tài)下門檻梁、座椅橫梁以及上邊梁出現(xiàn)惡劣折彎說明以上三個區(qū)域的抗彎剛度明顯不足，具體如圖5、圖6所示。

根據(jù)基礎(chǔ)狀態(tài)的分析結(jié)果，本文的主要優(yōu)化思路是：通過提高側(cè)面柱碰主要承載結(jié)構(gòu)的剛度和增加傳力路徑的方式增加車身結(jié)構(gòu)的承載能力，從而減小側(cè)圍侵入量，達(dá)到提高整車側(cè)面柱碰性能的目的。具體方案如下：

3.2.1 座椅橫梁區(qū)域優(yōu)化方案

基礎(chǔ)狀態(tài)中，由于剛性立柱更靠近座椅后橫梁，導(dǎo)致前、后橫梁承載不均，后橫梁承載更多，故后座椅橫梁變形更嚴(yán)重。本文的優(yōu)化方案是在增加座椅橫梁的抗彎剛度的同時，重新匹配前、后橫梁的承載量，具體方案為：

（1）座椅后橫梁1.4 mm/DP590提升為1.4 mm/DP780。

（2）座椅前橫梁由1.2 mm/DP590提升為1.2 mm/熱成型。

（3）為了減少座椅后橫梁的載荷，增加一條斜撐梁，將部分載荷分?jǐn)偟阶吻皺M梁，其材料為1.4 mm/DP780。

（4）延長座椅后橫梁內(nèi)部的加強(qiáng)板。

3.2.2 門檻區(qū)域優(yōu)化方案

（1）在門檻內(nèi)板處增加一塊1.2 mm/950_1180MS的加強(qiáng)板，以增強(qiáng)門檻的抗彎性能。

（2）在門檻內(nèi)撞擊圓柱位置增加一個支架小總成（“幾”字支架1.0 mm/DP590，隔板0.8 mm/DC01），以增加在碰撞過程中的吸能。

3.2.3 B柱區(qū)域優(yōu)化方案

（1）B柱加強(qiáng)板料厚由1.4 mm提升為1.6 mm。

（2）B柱加強(qiáng)板下端與門檻的Z向搭接長度由34 mm延長至84 mm。

3.2.4 車門防撞梁優(yōu)化方案

車門防撞梁由1.4 mm/熱成型提升為2.0 mm/熱成型。

按照上述優(yōu)化方案修改仿真模型，重新提交計(jì)算，并對其結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：通過增強(qiáng)門檻梁、座椅橫梁、車門防撞梁、B柱的抗彎剛度以及優(yōu)化座椅前、后橫梁的傳力路徑使前、后橫梁的承載比（F前/F后）由39.3%提升到91.7%，優(yōu)化后車身變形得到明顯控制（如圖7、圖8所示）。

測量優(yōu)化狀態(tài)側(cè)圍的侵入量，其侵入量顯著下降（如表3所示），但是mid door和window top位置的侵入量依然超過了初定目標(biāo)值，考慮上述兩處侵入量小于國內(nèi)仿真對標(biāo)車型相同位置的侵入量，且window top所對應(yīng)的頭部依然有空間配合側(cè)氣簾，頭部得分能夠得到保證。因此，以該優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行乘員約束系統(tǒng)分析以評估假人得分情況。

3.3 約束系統(tǒng)模擬仿真

3.3.1 假人傷害值計(jì)算

以結(jié)構(gòu)耐撞仿真計(jì)算結(jié)果作為輸入，搭建乘員約束系統(tǒng)仿真模型[10]，如圖9所示。

根據(jù)上述模型，通過約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化假人得分為15.05分（滿分16分），得分率為94.1%，超過目標(biāo)值85%，滿足五星目標(biāo)要求。具體得分如表4所示。

3.3.2 侵入量目標(biāo)值優(yōu)化

進(jìn)一步分析上述假人各部位得分：頭部、腹部、骨盆得到滿分，胸部得分3.05，得分率為76.3%。將假人各損傷測量部位映射到車身側(cè)圍上如圖10所示：假人頭部對應(yīng)window top 、胸部對應(yīng)window sill、腹部對應(yīng)mid door、骨盆對應(yīng)occupant hip point。

基于假人得分率以及具體的假人傷害值，對初定目標(biāo)值進(jìn)行修正，使其更加符合實(shí)際，為后續(xù)車型的開發(fā)提供參考（如表5所示）。

4 結(jié)語

由于目前國內(nèi)尚未正式開展側(cè)面柱碰的試驗(yàn)評價工作，因此，國內(nèi)缺乏應(yīng)對側(cè)面柱碰工況的車型開發(fā)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。鑒于此情況，本文首先在收集分析國內(nèi)外柱碰試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上初步制訂了本車型開發(fā)的設(shè)計(jì)目標(biāo)值，然后依據(jù)該目標(biāo)值對該車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過優(yōu)化傳力路徑、提升局部結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，大幅提升了柱碰性能使其基本達(dá)到目標(biāo)值。接著基于優(yōu)化狀態(tài)下的柱碰計(jì)算結(jié)果搭建乘員約束系統(tǒng)計(jì)算模型求出假人的傷害值以及得分，結(jié)果顯示該狀態(tài)假人得分為15.05，滿足2021版五星得分目標(biāo)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)束。最后以此為基礎(chǔ)對初定目標(biāo)值進(jìn)行進(jìn)一步的修正使其更加符合設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)車型開發(fā)提供參考，相應(yīng)流程如圖11所示。后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合柱碰試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行仿真試驗(yàn)對標(biāo)以提升仿真計(jì)算精度。

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